水泥生产中减排二氧化碳措施和效果分析

水泥 2005-06-01

1　前言
　　为了２１世纪的地球免受气候变暖的威胁，１９９７年１２月，在日本东京召开的《联合国气候变化框架公约》缔约方第三次会议通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的《京都议定书》。２００４年１１月，俄罗斯总统普京在《京都议定书》上签字，截至２００４年１２月，已有１２９个国家及地区批准加入议定书，议定书将于２００５年２月16日正式生效。《京都议定书》规定，２０１２年前，主要工业发达国家温室气体排放量要在１９９０年的基础上平均减少５％。
　　为了促进各国完成温室气体减排目标，议定书允许采取以下四种减排方式：
　　（1）两个发达国家之间可以进行排放额度买卖的“排放权交易”，即难以完成削减任务的国家，可以花钱从超额完成任务的国家买进超出的额度。
　　（2）以“净排放量”计算温室气体排放量，即从本国实际排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的数量。
　　（3）可以采用绿色开发机制，促使发达国家和发展中国家共同减排温室气体。
　　（4）可以采用“集团方式”，即欧盟内部的许多国家可视为一个整体，采取有的国家削减、有的国家增加的方法，在总体上完成减排任务。
　　该议定书确定的温室气体，二氧化碳占首位，我国是缔约国之一，虽然在2012年之前不承担减排温室气体的任务，但是可以通过“清洁发展机制”，由减排获得我国发展急需的资金，也为承担减排温室气体任务积累技术和经验，这就必须研究各部门减排二氧化碳的实用技术。为此，本文根据水泥生产工艺，从理论上分析水泥生产中削减排放二氧化碳的措施和效果。
2　水泥生产通常排放的二氧化碳量
　　水泥生产排放的二氧化碳包括：由生产水泥的主要原料石灰石中的碳酸钙分解生成水泥熟料必需的氧化钙的同时生成的二氧化碳；煅烧水泥熟料和烘干原料用燃料燃烧产生的二氧化碳。
普通硅酸盐水泥熟料含氧化钙65%左右，根据化学反应方程式：
　　CaCO3=CaO+CO2
　　每生成1份CaO同时生成0.7857份CO2，所以每生产1t水泥熟料生成0.511t CO2。
　　水泥厂用的燃料煤发热量为22 000kJ/㎏时，约含有65%左右的固定碳，根据化学反应方程式：
　　C+ O2=CO2
　　碳完全燃烧时，每吨煤产生2.38t CO2。
　　水泥生产过程所用燃料分为熟料烧成用燃料和原燃料烘干用燃料，熟料烧成用燃料的多少与生产水泥熟料的生产工艺及规模有关，现行我国各水泥生产工艺、规模和热耗、烧成用煤的关系见表1。烘干用燃料的多少与对余热的利用程度和原燃料的自然水分有关，不考虑烘干物料对余热的利用，按原燃料的自然水分为18%，生产1t熟料需烘干0.5t左右原燃料计算，烘干用煤约为0.02t。
　　生产1t熟料需0.161～0.296t煤，煤燃烧产生0.383～0.704t CO2。加上生成熟料时碳酸钙分解产生的CO2，每生产1t水泥熟料排放0.894～1.215t CO2。一般地说，每生产1t水泥熟料排放约1t CO2。按此计算，我国2004年生产7亿t以上的水泥熟料，排入大气中的CO2超过7亿t。
3　减排二氧化碳措施
3.1　改变原料种类或熟料化学成分
3.1.1　用含有CaO但不产生CO2的物质作原料
　　不产生CO2又含有CaO且对水泥熟料形成无不利影响的物质在天然原料中很难找到，但是其它工业的废渣中往往含有CaO而不会产生CO2，如化工行业的主要化学成分为Ca（OH）2，1t无水电石渣含0.54tCaO，用电石渣作为生产原料，则可减排0.424t CO2。另外，高炉矿渣、粉煤灰、炉渣中都比粘土中含有更多的CaO，能减少配料中石灰石的比例。上述废渣每提供1t CaO则减少排放0.7857t CO2。另外，上述废渣作为原料生产水泥还能降低熟料烧成温度，从而降低煤耗，也起到减排CO2的作用。成都建材设计研究院和合肥水泥研究设计院分别设计了四川宜宾30万t电石渣水泥厂和安徽皖维高新材料股份有限公司年处理18万t工业废渣（其中湿排电石渣为7.5万t）水泥厂，都取得了安全运行、达标达产的良好效果，明显地减排CO2。若全用电石渣提供水泥熟料中的CaO，生产每吨水泥熟料可减排0.511t CO2。
3.1.2　降低水泥熟料中CaO的含量
　　现行硅酸盐水泥熟料要求含有较高的硅酸三钙（C3S），因此，熟料的化学成分中CaO含量在65%左右，若在保证水泥熟料性能的前提下，降低熟料化学成分中CaO的含量，可减少生产水泥熟料需要的碳酸钙用量，有助于减排CO2。水泥熟料中CaO含量每降低1%，生产1t水泥熟料可减排7.857㎏ CO2。目前，国内外进行低钙水泥熟料体系的研究和开发，即降低熟料组成中CaO的含量，相应增加低钙贝利特矿物的含量，或引入新的水泥熟料矿物，可有效降低熟料烧成温度，减少配合生料的石灰石的用量，降低熟料烧成热耗。低钙高贝利特水泥是以贝利特矿物（C2S）为主，其含量在50%左右，该水泥与通用硅酸盐水泥同属硅酸盐水泥体系，其烧成温度为1 350°C左右，比通用硅酸盐水泥低100℃，在水泥性能上，低钙硅酸盐水泥28天抗压强度与通用硅酸盐水泥相当，后期强度高出通用硅酸盐水泥5～10MPa，在水泥熟料生产过程中，比现行硅酸盐水泥熟料少排10%左右CO2。贝利特硫铝酸盐水泥可把熟料中CaO降到45%，生产每吨熟料比现行硅酸盐水泥熟料少排CO2约0.16t。
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摘处《中国水泥》2005年 03月号

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